WO2012007247A1 - Modul und anordnung zur messung eines hochfrequenzstroms durch einen leiter - Google Patents

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Werner Hartmann
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    • H05K2201/10151—Sensor

Definitions

  • the invention relates to an arrangement consisting essentially of printed circuit board modules with integrated coils for measuring a high-frequency current through a conductor. Electric currents in the high frequency range, eg. In one
  • Magnitudes of 100MHz can be determined most accurately with the detection of the magnetic field around the conductor carrying the current.
  • a coil is, for example, arranged on the conductor such that the magnetic field passes through the coil, so that a voltage is induced which can be tapped off at the corresponding contacts of the coil.
  • the structure and arrangement of conductor and coil can be realized differently.
  • Power meters are known as accessories for oscilloscopes (eg Tektronix, TCP305), etc., which are only suitable for measurements in research and development as well as for troubleshooting.
  • An inventive module for measuring the current intensity of a high frequency current through a conductor of a carrier board comprises:
  • a part of the conductor sections of the coil at the top and at the bottom of the board unit is arranged and another part of the conductor sections of the coil as
  • Conductor sections at the top and conductor sections at the bottom are connected to each other via the vias.
  • the module also has an input contact and an output contact, wherein the input contact is electrically connected to an input of the conductor of the coil and the output contact to an output of the conductor of the coil and wherein the induced current flow through the conductor Voltage at the input contact and the output contact can be tapped.
  • the module can, for example, be soldered to corresponding contact points on the carrier board.
  • the input contact and the output contact are located on the same side of the module, for example, on the bottom, so that a simple contact with the carrier board is possible.
  • the module may comprise a second board unit, wherein
  • Input of the coil and between the output contact and the one output of the coil are formed as vias through the second board unit.
  • This second board unit causes the coil conductor does not come into contact with the conductor of the carrier board.
  • a third and a fourth board unit may be provided, wherein
  • Board unit is arranged and on its side facing away from the first board unit side has a metal coating
  • Board unit is arranged and on its side facing the second board unit side has a metal coating
  • Metal coatings cause shielding of the coil with respect to the electric field.
  • the metal coating of the third board unit and / or the fourth board unit may or may
  • the conductor sections of the coil can be advantageously slotted, so that no induction currents flow in them.
  • the conductor sections of the coil can be advantageously slotted, so that no induction currents flow in them.
  • An arrangement according to the invention for measuring the current intensity of a high-frequency current through a conductor has at least a first and a second one of those described
  • Ladder add the voltages induced in the individual coils, so that between the input contact of the first module and the output contact of the second module, a total voltage can be tapped.
  • the conductor may, for example, be formed as a planar conductor track on or in the surface of the carrier board.
  • the first module can with its input and
  • the electrical connection between the output contact of the coil of the first module and the input contact of the coil of the second module can as through-hole through the
  • Carrier board of the conductor to be formed.
  • At least one conductor track to the input contact of the first module and at least one conductor track to the output contact of the second module can be provided on the carrier board. It can be one of these
  • the first and second modules are not identical.
  • the first module which is placed on top of the carrier board, i. on the side where the conductor is located, has at least the first and the second board unit.
  • the second board unit causes the isolation of the coil of the first module of the conductor.
  • the second module has only the first board unit and no second one
  • PCB unit is redundant in the second module.
  • Figure 1 is a plan view of an inventive Anord ⁇ voltage for current measurement
  • FIG. 3 a top view of a module according to the invention
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the module in side view
  • FIG. 5 is a plan view of a metal coating with egg ⁇ nem through slot
  • Figure 6 shows a module consisting of only one circuit board.
  • FIG. 1 shows a side view of a conductor 310, which is, for example, as a planar line on or in a surface at the top of a carrier board 300.
  • a conductor 310 Through the conductor 310 flows to be measured high-frequency alternating current I, which is known to generate a corresponding alternating magnetic field around the conductor 300.
  • a module 100 according to the invention for measuring the current intensity of the high-frequency current I is arranged above the carrier board 300 and the conductor 310.
  • Below the carrier board 300 or on the underside of another module 200 is arranged that is substantially identical to the first module 100 is formed.
  • the module 100 consists in the first shown here
  • Embodiment of two juxtaposed boards 110, 120 The conductor 310 facing away from the board 110 of the module 100 has a coil 130 which is arranged such that the magnetic field generated by the RF alternating current I induces a voltage U in the coil (hereinafter, the carrier board 300 facing side of Module or a board as the bottom and the carrier board side facing away from the top).
  • the function of the board 310 facing the conductor 120 of the module 100 is essentially to prevent electrical contact between the coil 130 and the conductor 310.
  • this second board can in principle be dispensed with if it can be ruled out that an electrical connection between the coil and the conductor can be excluded
  • Carrier board is arranged or in the event that the conductor is integrated into the carrier board.
  • the coil 130 has a longitudinal axis S and a
  • Cross-sectional area A is, for example, arranged so that the longitudinal axis S perpendicular to the conductor 310 and to
  • Figure 2 shows a plan view of the module 100, i. the view in the negative z-direction, from which the arrangement and the basic structure of the coil 130 is clear.
  • the coil 130 consists of a plurality of consecutively
  • Plantine 110 interconnected, so that ultimately the Turns of a coil are formed.
  • Vias 130/2, 130/4, 130/6, 130/8 themselves thus also represent conductor sections of the coil 110.
  • the conductor sections 130/3, 130/7 at the bottom of the coil 110 are also represent conductor sections of the coil 110.
  • Circuit board which would not be visible in the view of Figure 2, are shown in dashed lines.
  • the input E130 of the coil 130 is provided on the first conductor section 130/1 and the output A130 of the coil is provided on the last conductor section 130/9.
  • the module 100 has a
  • Input contact 140 and an output contact 150 wherein the input E130 via a further via, which both the first 110 and the second board 120th
  • Output contact 150 electrically connected.
  • the voltage U induced in the coil 130 during current flow through the conductor 310 can therefore be picked up at the input and output contacts 140, 150 of the module 100.
  • the module 100 is in the installed state for measuring the current I in the conductor 310 with the input and the
  • Output contact 140, 150 soldered to corresponding contact points 320, 330 of the carrier board 300 of the conductor 310.
  • the further module 200 is also three-ply of two
  • Boards 210, 220 built.
  • the conductor 210 facing away from the board 210 of the module 200 has a coil 230 which is arranged such that the magnetic field generated by the RF alternating current I induces a voltage U in the coil.
  • the function of the conductor 310 facing the board 220 is essentially to prevent electrical contact between the coil 130 and the conductor 310.
  • the second circuit board 220 of the second module 200 can be dispensed with, since the carrier circuit board 300 itself is used as a
  • Insulation between the coil 230 of the second module 200 and the conductor 310 acts. It brings however production-technical Advantages, if the first and the second module are identical. On the other hand, the two-ply design of the second module with only a single board would be less expensive.
  • the coil 230 is also arranged so that its longitudinal axis perpendicular to the conductor 310 and to the current direction of the
  • FIG. 3 shows a plan view of the second module 200, i. the view in positive z-direction.
  • the coil 230 also consists of a plurality of conductor sections 230/1, 230/2, 230/3,... 230/9, wherein the conductor sections 230/3, 230/7 on the upper side and the conductor sections 230/1, 230 / 5, 230/9 are arranged on the underside of the board 210.
  • a conductor portion on the top of the board is connected via a via to a conductor portion on the underside of the board so that the conductor portions ultimately form a coil of substantially rectangular cross-section.
  • the module 200 has an input contact 240 and an output contact 250, wherein the input E230 is connected to the input contact 240 via a further through-connection 230/10, 230/11, which passes through both the first 210 and the second circuit board 220. Accordingly, the output A230 of the coil is electrically connected to the output contact 250. The voltage U induced in the coil 230 during current flow through the conductor 310 can thus be picked up at the input and output contacts 240, 250 of the module 200.
  • the module 200 is in the installed state for measuring the current I with the input and the output contact 240, 250th soldered to corresponding contact points 340, 350 of the carrier board 300 of the conductor 310.
  • the modules 100, 200 are electrically connected to one another in the installed state in such a way that the voltages induced in the two coils add up. For this is the
  • Output A130 of the coil 130 of the first module 100 is connected to the input E230 of the coil 230 of the second module 200. This is done through a via 360 through the
  • Carrier board 300 realized, which connects the contact points 330, 340 with each other.
  • the contact points 320, 350 can be connected to a measuring device (also not shown) via corresponding conductor tracks (not shown here) of the carrier board 300.
  • This may, for example, also be soldered onto the carrier board 300 as a component.
  • Particularly advantageous effect in the module an addi ⁇ che the coil each surrounding insulated conductor level, which is not connected to the coil itself but only with the ground ⁇ reference potential of the carrier board and mindes ⁇ least on one side of the coil to be measured by a Head has away pointing air gap. This is illustrated for the first Mo ⁇ dul 100 in FIG. 4
  • the module 100 has upper ⁇ and below the sketched in the figure 1 structure per ⁇ wells another board 160 or 170 on.
  • the metal layers 161, 171 are electrically connected to vias 180 by the intermediary boards. Furthermore, the metal layers may be connected to a ground contact on the carrier board 300 (not shown), if any.
  • Output A130 of the coil 130 are connected in this Embodiment on the support plate 300 facing side of the additional board 170 is provided.
  • the metal layer 161 should be made slotted.
  • the Schlit ⁇ pollution here consisting of a through slit 162 in the direction in which the coil is wound, that is, in the y direction . Since the coil will be ⁇ 130 perpendicular to the conductor 310, the air gap is so ⁇ facing from the conductor to be measured away. This is advantageous in that, a ⁇ scatters an electric field can be reduced to the coil, whereby the signal-to-noise ratio lent German is increased.
  • the coils 100, 200 shown in FIGS. 2 and 3 have a comparatively small number of windings for the sake of clarity. In practice, a much higher number of turns is provided.
  • the plated-through hole 360 as well as the contact points 340, 350 could be dispensed with.
  • the induced voltage would then be tapped at the contact points 320, 330.
  • the thicknesses of the individual boards In determining the thicknesses of the individual boards a compromise between compactness of the module, suffi ⁇ chender mechanical stability and functional performance of the coil must be found. Although comparatively large layer thicknesses bring about good stability and a large coil thickness. cross-section, however, the module is correspondingly thick. For ei ⁇ ne AC frequency of about 150 MHz, for example, layer thicknesses of about 1mm are suitable.
  • the coils 130, 230 are aligned in a substantially rectangular cross section, that the conductor portions of one turn are pa rallel ⁇ each other.
  • the conductor sections of a turn essentially form a parallelogram, wherein the corners can certainly also be rounded.
  • the second module 200 can consist of only one circuit board 210.
  • the input contact 240 and the output contact 250 would be attached directly to the side of the board 210 facing the carrier board 300. This is shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung bestehend aus Leiterplattenmodulen mit integrierten Spulen zur Messung eines Hochfrequenzstromes durch einen Leiter. Ein derartiges Leiterplattenmodul weist eine erste Platineneinheit und eine in das Modul integrierte Spule auf. Die Spule besteht aus einer Vielzahl von miteinander elektrisch verbundenen Leiterabschnitten und ist derart ausgebildet, dass bei Stromfluss durch den Leiter der Querschnitt der Spule von den Feldlinien des durch den Stromfluss hervorgerufenen Magnetfeldes durchsetzbar ist, derart, dass in der Spule eine Spannung induziert wird. Ein Teil der Leiterabschnitte der Spule ist an der Oberseite sowie an der Unterseite der Platineneinheit angeordnet, ein weiterer Teil der Leiterabschnitte ist als Durchkontaktierungen durch die Platineneinheit ausgebildet. Die Leiterabschnitte sind derart hintereinander geschaltet, dass sie die Windungen der Spule bilden, wobei Leiterabschnitte an der Oberseite und Leiterabschnitte an der Unterseite über die Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind.

Description

Beschreibung
Modul und Anordnung zur Messung eines Hochfrequenzstroms durch einen Leiter
Die Erfindung betrifft eine Anordnung im Wesentlichen bestehend aus Leiterplattenmodulen mit integrierten Spulen zur Messung eines Hochfrequenzstromes durch einen Leiter. Elektrische Ströme im Hochfrequenzbereich, bspw. in einer
Größenordnung von 100MHz, lassen sich am genauesten mit der Erfassung des Magnetfeldes um den den Strom führenden Leiter bestimmen. Um das Magnetfeld zu erfassen, wird eine Spule bspw. derart am Leiter angeordnet, dass das Magnetfeld die Spule durchsetzt, so dass eine Spannung induziert wird, die an den entsprechenden Kontakten der Spule abgegriffen werden kann. Die Struktur und Anordnung von Leiter und Spule kann unterschiedlich realisiert werden. Bspw. sind Strommesser als Zubehör für Oszilloskope (z.B. Tektronix, TCP305) etc. bekannt, die jedoch lediglich für Messungen bei der Forschung und Entwicklung sowie bei der Fehlersuche geeignet sind. Weiterhin bieten bspw. die Firmen LEM (DE 20 2010 000 328 Ul) und Honeywell (EP 0 315 358 A2) Stromsensoren an, die auf Leiterplatten aufgelötet werden, die aber für den Hochfrequenzbereich nicht geeignet sind. Darüber hinaus werden in den Artikeln "PCB Rogowski Coils Be- nefit Relay Protection" von L. Kojovic, "Novel differential protection Systems for improved netword Operation reliabili- ty" von L. Kojovic und "Design and characteristics of two ro- gowski coils based on printed circuit boards" von C.Quing in Leiterplatten integrierte Spulen beschrieben, wobei die Leiterplatten jedoch nicht frei bestückbar sind. Die dort beschriebenen Spulen dienen lediglich dazu, Ströme in frei verlegten Leitungen zu messen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, einen HF-Strom durch einen Leiter zu messen .
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Ein erfindungsgemäßes Modul zur Messung der Stromstärke eines Hochfrequenzstroms durch einen Leiter einer Trägerplatine weist auf:
- eine erste Platineneinheit und
- eine in das Modul integrierte Spule mit einer
Querschnittsfläche und einer Längsachse, wobei die Spule eine Vielzahl von miteinander elektrisch verbundenen
Leiterabschnitten aufweist und derart ausgebildet ist, dass bei Stromfluss durch den Leiter der Querschnitt der Spule von den Feldlinien des durch den Stromfluss hervorgerufenen Magnetfeldes zumindest teilweise durchsetzbar ist, derart, dass in der Spule eine Spannung induziert wird,
wobei
- ein Teil der Leiterabschnitte der Spule an der Oberseite sowie an der Unterseite der Platineneinheit angeordnet ist und ein weiterer Teil der Leiterabschnitte der Spule als
Durchkontaktierungen durch die Platineneinheit ausgebildet ist,
- die Leiterabschnitte derart hintereinander geschaltet sind, dass sie die Windungen der Spule bilden, wobei
Leiterabschnitte an der Oberseite und Leiterabschnitte an der Unterseite über die Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind.
Das Modul weist außerdem einen Eingangskontakt und einen Ausgangskontakt auf, wobei der Eingangskontakt mit einem Eingang des Leiters der Spule und der Ausgangskontakt mit einem Ausgang des Leiters der Spule elektrisch verbunden ist und wobei die bei Stromfluss durch den Leiter induzierte Spannung an dem Eingangskontakt und dem Ausgangskontakt abgreifbar ist. Mit dem Eingangs- und dem Ausgangskontakt kann das Modul bspw. auf entsprechende Kontaktstellen auf der Trägerplatine gelötet werden.
Der Eingangskontakt und der Ausgangskontakt befinden sich an derselben Seite des Moduls, bspw. an der Unterseite, so dass eine einfache Kontaktierung mit der Trägerplatine möglich ist .
Das Modul kann eine zweite Platineneinheit aufweisen, wobei
- der Eingangskontakt und der Ausgangskontakt an der der ersten Platineneinheit abgewandten Seite der zweiten
Platineneinheit vorgesehen sind und
- die Verbindungen zwischen dem Eingangskontakt und dem
Eingang der Spule sowie zwischen dem Ausgangskontakt und dem einem Ausgang der Spule als Durchkontaktierungen durch die zweite Platineneinheit ausgebildet sind.
Diese zweite Platineneinheit bewirkt, dass der Spulenleiter nicht in Kontakt mit dem Leiter der Trägerplatine kommt.
Alternativ könnten zu diesem Zweck theoretische auch
Abstandshalter o.ä. verwendet werden, die an das Modul bzw. an die erste Platineneinheit angebracht sind. Weiterhin können eine dritte und eine vierte Platineneinheit vorgesehen sein, wobei
- die dritte Platineneinheit an der der zweiten
Platineneinheit abgewandten Seite der ersten
Platineneinheit angeordnet ist und auf ihrer der ersten Platineneinheit abgewandten Seite eine Metallbeschichtung aufweist,
- die vierte Platineneinheit an der der ersten
Platineneinheit abgewandten Seite der zweiten
Platineneinheit angeordnet ist und auf ihrer der zweiten Platineneinheit zugewandten Seite eine Metallbeschichtung aufweist,
- die Metallbeschichtungen der dritten und der vierten
Platineneinheit elektrisch miteinander verbunden sind. Diese zusätzlichen Platineneinheiten bzw. die
Metallbeschichtungen bewirken eine Abschirmung der Spule bezüglich des elektrischen Feldes. Die Metallbeschichtung der dritten Platineneinheit und/oder der vierten Platineneinheit kann bzw. können
vorteilhafterweise geschlitzt ausgeführt sein, so dass keine Induktionsströme in ihnen fließen. Die Leiterabschnitte der Spule können
- an der Oberseite und an der Unterseite der ersten Platine als Leiterbahnen an der Platinenoberfläche ausgebildet sein und/oder
- in die Oberfläche der Platineneinheit eingelassen oder auf die Oberfläche der Platine aufgebracht sein.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Messung der Stromstärke eines Hochfrequenzstroms durch einen Leiter weist zumindest ein erstes und ein zweites der beschriebenen
erfindungsgemäßen Module auf. Dabei sind
- die Module derart angeordnet, dass der Leiter zwischen den Modulen verläuft und bei Stromfluss durch den Leiter die Feldlinien des durch den Stromfluss hervorgerufenen
Magnetfeldes die Querschnitte der Spulen der Module
durchsetzen, derart, dass in der Spulen jeweils eine
Spannung induzierbar ist,
- der Ausgangskontakt des ersten Moduls und der
Eingangskontakt des zweiten Moduls elektrisch miteinander verbunden, derart, dass sich bei Stromfluss durch den
Leiter die in den einzelnen Spulen induzierten Spannungen addieren, so dass zwischen dem Eingangskontakt des ersten Moduls und dem Ausgangskontakt des zweiten Moduls eine Gesamtspannung abgreifbar ist. Der Leiter kann bspw. als planare Leiterbahn auf oder in der Oberfläche der Trägerplatine ausgebildet sein. Das erste Modul kann mit seinen Eingangs- und
Ausgangskontakten seiner integrierten Spule an der Oberseite der Trägerplatine und das zweite Modul mit seinen Eingangs¬ und Ausgangskontakten seiner integrierten Spule an der
Unterseite der Trägerplatine angeordnet, insbesondere
gelötet, sein.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Ausgangskontakt der Spule des ersten Moduls und dem Eingangskontakt der Spule des zweiten Moduls kann als Durchkontaktierung durch die
Trägerplatine des Leiters ausgebildet sein.
Zum Abgriff der Gesamtspannung kann auf der Trägerplatine zumindest eine Leiterbahn zum Eingangskontakt des ersten Moduls und zumindest eine Leiterbahn zum Ausgangskontakt des zweiten Moduls vorgesehen sein. Dabei kann eine dieser
Leiterbahnen zumindest abschnittsweise auch als
Durchkontaktierung durch die Trägerplatine ausgebildet sein. In einer Ausführungsform der Anordnung sind das erste und das zweite Modul nicht identisch ausgeführt. Das erste Modul, das an der Oberseite der Trägerplatine angeordnet wird, d.h. an derjenigen Seite an der sich auch der Leiter befindet, weist zumindest die erste und die zweite Platineneinheit auf. Dabei bewirkt die zweite Platineneinheit die Isolierung der Spule des ersten moduls von dem Leiter. Das zweite Modul weist nur die erste Platineneinheit auf und keine zweite
Platineneinheit, weil eine Isolierung zwischen der Spule des zweiten Moduls und dem Leiter bereits durch die Trägerplatine bewirkt wird, so dass das Vorsehen einer zweiten
Platineneinheit beim zweiten Modul überflüssig ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei- spiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt: Figur 1 eine Draufsicht auf einer erfindungsgemäße Anord¬ nung zur Strommessung,
Figur 2 die Anordnung vor dem Zusammenbau in Seitenansicht,
Figur 3 ein erfindungsgemäßes Modul in Draufsicht
Figur 4 eine weitere Ausführungsform des Moduls in Seitenansicht,
Figur 5 eine Draufsicht auf eine Metallbeschichtung mit ei¬ nem durchgehenden Schlitz,
Figur 6 ein Modul bestehend aus nur einer Leiterplatte.
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Komponenten der dargestellten Gegenstände, die je nach gewählter Sichtweise nicht sichtbar wären, da andere Komponenten davor liegen, sind im Regelfall mit gestrichelten Linien symbolisiert.
Die Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht einen Leiter 310, der sich bspw. als planare Leitung auf oder in einer Oberflä- che an der Oberseite einer Trägerplatine 300 befindet. Durch den Leiter 310 fließt ein zu messender Hochfrequenz- Wechselstrom I, der bekanntermaßen ein entsprechendes Wechselmagnetfeld um den Leiter 300 erzeugt. Oberhalb der Trägerplatine 300 und des Leiters 310 ist ein erfindungsgemäßes Modul 100 zur Messung der Stromstärke des Hochfrequenzstroms I angeordnet. Unterhalb der Trägerplatine 300 bzw. an deren Unterseite ist ein weiteres Modul 200 angeordnet, dass im Wesentlichen baugleich zum ersten Modul 100 ausgebildet ist.
Das Modul 100 besteht in der hier dargestellten ersten
Ausführungsform aus zwei aneinandergesetzten Platinen 110, 120. Die dem Leiter 310 abgewandte Platine 110 des Moduls 100 weist eine Spule 130 auf, die derart angeordnet ist, dass das vom HF-Wechselstrom I erzeugte Magnetfeld in der Spule eine Spannung U induziert (im Folgenden wird die der Trägerplatine 300 zugewandte Seite eines Moduls bzw. einer Platine als Unterseite und die der Trägerplatine abgewandte Seite als Oberseite bezeichnet) . Die Funktion der dem Leiter 310 zugewandten Platine 120 des Moduls 100 liegt im Wesentlichen darin, einen elektrischen Kontakt zwischen der Spule 130 und dem Leiter 310 zu verhindern. Wie weiter unten für das zweite Modul 200 erläutert wird, kann auf diese zweite Platine im Prinzip verzichtet werden, wenn ausgeschlossen werden kann, dass zwischen der Spule und dem Leiter ein elektrischer
Kontakt herstellbar ist. Dies ist bspw. dann der Fall, wenn das Modul an der dem Leiter gegenüberliegenden Seite der
Trägerplatine angeordnet ist oder für den Fall, dass die der Leiter in die Trägerplatine integriert ist.
Die Spule 130 weist eine Längsachse S und eine
Querschnittsfläche A auf und ist bspw. so angeordnet, dass die Längsachse S senkrecht zum Leiter 310 bzw. zur
Stromrichtung des Wechselstroms I angeordnet ist. Die Messung der induzierten Spannung U erlaubt bekanntermaßen
Rückschlüsse auf den Strom I.
Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Modul 100, d.h. die Sicht in negative z-Richtung, aus der die Anordnung und der prinzipielle Aufbau der Spule 130 deutlich wird. Die Spule 130 besteht aus einer Vielzahl von hintereinander
geschalteten Leiterabschnitten 130/1, 130/2, 130/3,... 130/9, wobei die Leiterabschnitte 130/1, 130/5, 130/9 an der
Oberseite und die Leiterabschnitte 130/3, 130/7 an der
Unterseite der Platine 110 angeordnet sind. Leiterabschnitte auf der Oberseite der Platine sind mit
Leiterabschnitten auf der Unterseite der Platine über
Durchkontaktierung 130/2, 130/4, 130/6, 130/8 durch die
Plantine 110 miteinander verbunden, so dass letztlich die Windungen einer Spule gebildet werden. Die
Durchkontaktierungen 130/2, 130/4, 130/6, 130/8 selbst stellen also ebenfalls Leiterabschnitte der Spule 110 dar. Die Leiterabschnitte 130/3, 130/7 an der Unterseite der
Platine, die in der Sichtweise der Figur 2 nicht zu sehen wären, sind mit gestrichelten Linien dargestellt.
Am ersten Leiterabschnitt 130/1 ist der Eingang E130 der Spule 130 und am letzten Leiterabschnitt 130/9 der Ausgang A130 der Spule vorgesehen. Das Modul 100 weist einen
Eingangskontakt 140 und einen Ausgangskontakt 150 auf, wobei der Eingang E130 über eine weitere Durchkontaktierung, die sowohl die erste 110 als auch die zweite Platine 120
durchquert, mit dem Eingangskontakt 140 verbunden ist.
Dementsprechend ist der Ausgang A130 der Spule mit dem
Ausgangskontakt 150 elektrisch verbunden. Die bei Stromfluss durch den Leiter 310 in der Spule 130 induzierte Spannung U lässt sich also an den Eingangs- und Ausgangskontakten 140, 150 des Moduls 100 abgreifen.
Das Modul 100 ist im eingebauten Zustand zur Messung des Stroms I im Leiter 310 mit dem Eingangs- und dem
Ausgangskontakt 140, 150 auf entsprechende Kontaktstellen 320, 330 der Trägerplatine 300 des Leiters 310 gelötet.
Das weitere Modul 200 ist ebenfalls dreilagig aus zwei
Platinen 210, 220 aufgebaut. Die dem Leiter 310 abgewandte Platine 210 des Moduls 200 weist eine Spule 230 auf, die derart angeordnet ist, dass das vom HF-Wechselstrom I erzeugte Magnetfeld in der Spule eine Spannung U induziert.
Die Funktion der dem Leiter 310 zugewandten Platine 220 liegt im Wesentlichen darin, einen elektrischen Kontakt zwischen der Spule 130 und dem Leiter 310 zu verhindern. Wie oben bereits angedeutet wurde, kann im Falle der hier gezeigten Anordnung auf die zweite Platine 220 des zweiten Moduls 200 verzichtet werden, da die Trägerplatine 300 selbst als
Isolierung zwischen der Spule 230 des zweiten Moduls 200 und dem Leiter 310 wirkt. Es bringt jedoch produktionstechnische Vorteile, wenn das erste und das zweite Modul baugleich ausgeführt sind. Auf der anderen Seite würde die zweilagige Ausführung des zweiten Moduls mit nur einer einzigen Platine kostengünstiger sein.
Auch die Spule 230 ist so angeordnet, dass ihre Längsachse senkrecht zum Leiter 310 bzw. zur Stromrichtung des
Wechselstroms I angeordnet ist. Die Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf das zweite Modul 200, d.h. die Sicht in positive z-Richtung. Die Spule 230 besteht ebenfalls aus einer Vielzahl von Leiterabschnitten 230/1, 230/2, 230/3,... 230/9, wobei die Leiterabschnitte 230/3, 230/7 auf der Oberseite und die Leiterabschnitte 230/1, 230/5, 230/9 auf der Unterseite der Platine 210 angeordnet sind. Wie im Falle des ersten Moduls ist ein Leiterabschnitt auf der Oberseite der Platine über eine Durchkontaktierung mit einem Leiterabschnitt auf der Unterseite der Platine verbunden, so dass die Leiterabschnitte letztendlich eine Spule mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt bilden.
Am ersten Leiterabschnitt 230/1 der Spule 230 des zweiten Moduls 200 ist der Eingang E230 der Spule 230 und am letzten Leiterabschnitt 230/9 der Ausgang A230 der Spule 200
vorgesehen. Das Modul 200 weist einen Eingangskontakt 240 und einen Ausgangskontakt 250 auf, wobei der Eingang E230 über eine weitere Durchkontaktierung 230/10, 230/11, die sowohl die erste 210 als auch die zweite Platine 220 durchquert, mit dem Eingangskontakt 240 verbunden ist. Dementsprechend ist der Ausgang A230 der Spule mit dem Ausgangskontakt 250 elektrisch verbunden. Die bei Stromfluss durch den Leiter 310 in der Spule 230 induzierte Spannung U lässt sich also an den Eingangs- und Ausgangskontakten 240, 250 des Moduls 200 abgreifen .
Auch das Modul 200 ist im eingebauten Zustand zur Messung des Stroms I mit dem Eingangs- und dem Ausgangskontakt 240, 250 auf entsprechende Kontaktstellen 340, 350 der Trägerplatine 300 des Leiters 310 gelötet.
Die Module 100, 200 sind im eingebauten Zustand derart elektrisch miteinander verbunden, dass sich die in den beiden Spulen induzierten Spannungen addieren. Hierzu ist der
Ausgang A130 der Spule 130 des ersten Moduls 100 mit dem Eingang E230 der Spule 230 des zweiten Moduls 200 verbunden. Dies wird durch eine Durchkontaktierung 360 durch die
Trägerplatine 300 realisiert, welche die Kontaktstellen 330, 340 miteinander verbindet.
Um die zu messende Spannung letztlich abzugreifen und zu quantifizieren, können die Kontaktstellen 320, 350 über entsprechende, hier jedoch nicht dargestellte Leiterbahnen der Trägerplatine 300 mit einer ebenfalls nicht dargestellten Messvorrichtung verbunden sein. Diese kann bspw. ebenfalls als Bauteil auf die Trägerplatine 300 aufgelötet sein. Besonders vorteilhaft wirkt sich in dem Modul eine zusätzli¬ che, die Spule jeweils umgebende isolierte Leiterebene aus, welche nicht mit der Spule selbst sondern nur mit dem Masse¬ bezugspotential der Trägerplatine verbunden ist und mindes¬ tens auf einer Seite der Spule einen vom zu messenden Leiter weg weisenden Luftspalt aufweist. Dies ist für das erste Mo¬ dul 100 in der Figur 4 dargestellt. Das Modul 100 weist ober¬ halb und unterhalb des in der Figur 1 skizzierten Aufbaus je¬ weils eine weitere Platine 160 bzw. 170 auf. Auf der dem Lei¬ ter 310 abgewandten Seite der Platine 160 und auf der dem Leiter abgewandten Seite der Platine 170 ist jeweils eine Me¬ tallschicht 161 bzw. 171 vorgesehen. Die Metallschichten 161, 171 sind mit Durchkontaktierungen 180 durch die dazwischen liegenden Platinen elektrisch miteinander verbunden. Weiterhin können die Metallschichten mit einem Massekontakt auf der Trägerplatine 300 verbunden sein (nicht dargestellt) , falls ein solcher vorhanden ist. Der Eingangskontakt 140 und der Ausgangskontakt 150, die mit dem Eingang E130 bzw. dem
Ausgang A130 der Spule 130 verbunden sind, sind in dieser Ausführungsform an der der Trägerplatine 300 zugewandten Seite der zusätzlichen Platine 170 vorgesehen.
Damit in der Abschirmung kein Induktionsstrom fließt, sollte bspw. die Metallschicht 161 geschlitzt ausgeführt werden. Wie in der Figur 5 in einer Draufsicht auf das Modul 100 in der Ausführungsform nach Figur 4 dargestellt erfolgt die Schlit¬ zung, hier bestehend aus einem durchgehenden Schlitz 162, in der Richtung, in der auch die Spule gewickelt ist, d.h. in y- Richtung. Da sich die Spule 130 senkrecht zum Leiter 310 be¬ findet, ist der Luftspalt also vom zu messenden Leiter weg¬ weisend. Dies wirkt sich vorteilhaft darin aus, dass Ein¬ streuungen eines elektrischen Feldes auf die Spule reduzierbar sind, wodurch das Signal-zu-Störsignal-Verhältnis deut- lieh erhöht wird.
Für das zweite Modul 200 gilt entsprechendes, d.h. auch hier können in analoger Weise zusätzliche Platinen mit entspre¬ chenden, ggf. geschlitzten Metallschichten vorgesehen sein.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Spulen 100, 200 weisen nur der Übersichtlichkeit wegen eine vergleichsweise geringe Anzahl von Wicklungen auf. In der Praxis ist eine wesentlich höhere Wicklungszahl vorgesehen.
Im Prinzip würde es auch ausreichen, nur eines der Module, bspw. das erste Modul 100, zur Messung des Stroms bzw. des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes vorzusehen.
Dementsprechend könnte auf die Durchkontaktierung 360 sowie auf die Kontaktstellen 340, 350 verzichtet werden. Die induzierte Spannung würde dann an den Kontaktstellen 320, 330 abgegriffen werden können.
Bei der Festlegung der Schichtdicken der einzelnen Platinen muss ein Kompromiss zwischen Kompaktheit des Moduls, ausrei¬ chender mechanischer Stabilität und Funktionserfüllung der Spule gefunden werden. Vergleichsweise große Schichtdicken bewirken zwar eine gute Stabilität und einen großen Spulen- querschnitt, jedoch wird das Modul entsprechend dick. Für ei¬ ne Wechselstromfrequenz von etwa 150MHz sind bspw. Schichtdicken von etwa 1mm geeignet.
Die Spulen 130, 230 haben einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, d.h. die Leiterabschnitte einer Windung sind pa¬ rallel zueinander ausgerichtet. Mit anderen Worten bilden die Leiterabschnitte einer Windung im Wesentlichen ein Parallelogramm, wobei die Ecken durchaus auch abgerundet sein können.
Bereits erwähnt wurde, dass das zweite Modul 200 aus nur einer Platine 210 bestehen kann. In diesem Fall wären der Eingangskontakt 240 und der Ausgangskontakt 250 direkt an der der Trägerplatine 300 zugewandten Seite der Platine 210 angebracht. Dies ist in der Figur 6 dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Modul (100, 200) zur Messung der Stromstärke eines
Hochfrequenzstroms durch einen Leiter (310) einer
Trägerplatine (300), aufweisend
- eine erste Platineneinheit (110, 210) und
- eine in das Modul (100, 200) integrierte Spule (130, 230) mit einer Querschnittsfläche (A) und einer Längsachse (S) , wobei die Spule (130, 230) eine Vielzahl von miteinander elektrisch verbundenen Leiterabschnitten (130/1,..., 130/11,
230/1, 230/11) aufweist und derart ausgebildet ist, dass bei Stromfluss durch den Leiter (310) der Querschnitt der Spule (130, 230) von den Feldlinien des durch den
Stromfluss hervorgerufenen Magnetfeldes zumindest teilweise durchsetzbar ist, derart, dass in der Spule (130, 230) eine
Spannung (U) induziert wird,
wobei
- ein Teil der Leiterabschnitte der Spule (130, 230) an der Oberseite sowie an der Unterseite der Platineneinheit (110, 210) angeordnet ist und ein weiterer Teil der
Leiterabschnitte der Spule (130, 230) als
Durchkontaktierungen durch die Platineneinheit (110, 210) ausgebildet ist,
- die Leiterabschnitte derart hintereinander geschaltet sind, dass sie die Windungen der Spule (130, 230) bilden, wobei
Leiterabschnitte an der Oberseite und Leiterabschnitte an der Unterseite über die Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (100, 200) einen Eingangskontakt (140, 240) und einen Ausgangskontakt (150, 250) aufweist, wobei der
Eingangskontakt (140, 240) mit einem Eingang (E130, E140) des Leiters der Spule (130, 230) und der Ausgangskontakt (150, 250) mit einem Ausgang (A130, A230) des Leiters der Spule (130, 230) elektrisch verbunden ist und wobei die bei
Stromfluss durch den Leiter (310) induzierte Spannung an dem Eingangskontakt (140, 240) und dem Ausgangskontakt (150, 250) abgreifbar ist.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (100, 200) eine zweite Platineneinheit (120, 220) aufweist, wobei
- der Eingangskontakt (140, 240) und der Ausgangskontakt
(150, 250) an der der ersten Platineneinheit (110, 210) abgewandten Seite der zweiten Platineneinheit (120, 220) vorgesehen sind und
- die Verbindungen zwischen dem Eingangskontakt (140, 240) und dem Eingang (E130, E230) der Spule (130, 230) sowie zwischen dem Ausgangskontakt (150, 250) und dem einem
Ausgang (A130, A230) der Spule (130, 230) als
Durchkontaktierungen durch die zweite Platineneinheit (120,
220) ausgebildet sind.
4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte (160) und eine vierte Platineneinheit (260) vorgesehen sind, wobei
- die dritte Platineneinheit (160) an der der zweiten
Platineneinheit (120) abgewandten Seite der ersten
Platineneinheit (110) angeordnet ist und auf ihrer der ersten Platineneinheit (110) abgewandten Seite eine
Metallbeschichtung (161) aufweist,
- die vierte Platineneinheit (170) an der der ersten
Platineneinheit (110) abgewandten Seite der zweiten
Platineneinheit (120) angeordnet ist und auf ihrer der zweiten Platineneinheit (120) zugewandten Seite eine
Metallbeschichtung (171) aufweist,
- die Metallbeschichtungen (161, 171) der dritten (160) und der vierten Platineneinheit (170) elektrisch miteinander verbunden sind.
5. Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung (161, 171) der dritten Platineneinheit (160) und/oder der vierten Platineneinheit (170) geschlitzt ist .
6. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Eingangskontakt (140, 240) und der Ausgangskontakt (150, 250) an derselben Seite des Moduls (100, 200), insbesondere an der Unterseite, befinden.
7. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterabschnitte der Spule (130, 230) an der Oberseite und an der Unterseite der ersten
Platine (110, 210) als Leiterbahnen an der Platinenoberfläche ausgebildet sind.
8. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterabschnitte der Spule (130, 230) in die Oberfläche der Platineneinheit (110, 210)
eingelassen oder auf die Oberfläche der Platineneinheit (110, 210) aufgebracht sind.
9. Anordnung zur Messung der Stromstärke eines
Hochfrequenzstroms durch einen Leiter (310), zumindest mit einem ersten Modul (100) und einem zweiten Modul (200), wobei das erste und das zweite Modul jeweils nach einem der
Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet sind, wobei
- die Module (100, 200) derart angeordnet sind, dass der
Leiter (310) zwischen den Modulen (100, 200) verläuft und bei Stromfluss durch den Leiter (310) die Feldlinien des durch den Stromfluss hervorgerufenen Magnetfeldes die
Querschnitte der Spulen (130, 230) der Module (100, 200) durchsetzen, derart, dass in der Spulen (130, 230) jeweils eine Spannung induzierbar ist,
- der Ausgangskontakt (150) des ersten Moduls (100) und der Eingangskontakt (240) des zweiten Moduls (200) elektrisch miteinander verbunden sind, derart, dass sich bei
Stromfluss durch den Leiter (310) die in den einzelnen Spulen induzierten Spannungen addieren, so dass zwischen dem Eingangskontakt (140) des ersten Moduls (100) und dem Ausgangskontakt (250) des zweiten Moduls (200) eine
Gesamtspannung abgreifbar ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (310) als planare Leiterbahn auf oder in der
Oberfläche einer Trägerplatine (300) ausgebildet ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (100) mit seinen Eingangs- und
Ausgangskontakten (140, 150) seiner integrierten Spule (130) an der Oberseite der Trägerplatine (300) und das zweite Modul (200) mit seinen Eingangs- und Ausgangskontakten (240, 250) seiner integrierten Spule (230) an der Unterseite der
Trägerplatine (300) angeordnet, insbesondere gelötet, ist.
12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Ausgangskontakt (150) der Spule (130) des ersten Moduls (100) und dem Eingangskontakt (240) der Spule (230) des zweiten Moduls (200) als Durchkontaktierung (360) durch die
Trägerplatine (300) des Leiters (310) ausgebildet ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgriff der Gesamtspannung auf der Trägerplatine (300) zumindest eine Leiterbahn zum
Eingangskontakt (140) des ersten Moduls (100) und zumindest eine Leiterbahn zum Ausgangskontakt (250) des zweiten Moduls (250) vorgesehen ist.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
- das erste Modul (100) an der Oberseite der Trägerplatine (300) zumindest die erste (110) und die zweite
Platineneinheit (120) aufweist und
- das zweite Modul (200) an der Unterseite der Trägerplatine (300) keine zweite Platineneinheit (220) aufweist.
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